Applicazione al C.I.C.Lo.P.E e lavoro svolto

A Predappio, all’interno delle ex gallerie Caproni, scavato all’interno di una montagna, si trova il centro di ricerca CICLoPE (Centre for Internatio- nal Cooperation in Long Pipe Experiments). Al suo interno `e stata costruita una galleria del vento (nota come Long Pipe) unica nel suo genere, nata dal desiderio internazionale di approfondire la ricerca scientifica nell’ambito dei flussi turbolenti ad alto numero di Reynolds. La particolare struttura del Long Pipe consente appunto di raggiungere contemporaneamente elevati valori di Re ed effettuare misurazioni ad altissima risoluzione, condizione ir- raggiungibile in qualsiasi altra struttura.

Frutto della cooperazione di Universit`a e gruppi di ricerca da tutto il mondo, con lo scopo di radunare i pi`u importanti ricercatori nell’ambito della tur- bolenza e guidare la scoperta scientifica, sorge in un ambiente assolutamente isolato e privo di ogni fonte di inquinamento, garantendo condizioni di lavoro ottimali.

Fondamentalmente, il Long Pipe consiste di una galleria del vento a ciclo chiuso. Quest’ultima caratteristica consente di controllare in maniera ac- curata le caratteristiche del fluido, in termini di velocit`a, temperatura ed umidit`a.

L’unicit`a di questa struttura `e dovuta alla particolare sezione di prova, che consiste di un tubo di lunghezza pari a 111.5m e diametro di 0.9m.

Figura 1.12: Long Pipe presso CICLoPE, Predappio: (a) immagine del closed loop ; (b) dettaglio di alcune componenti.

L’elevato rapporto lunghezza-diametro della camera consente uno studio del flusso lungo tutta la sua evoluzione da laminare a turbolento; inoltre la sezio- ne finale (avente lunghezza di 1.5m) pu`o essere rimossa e sostituita con altra strumentazione per analizzare il comportamento del flusso in particolari con- dizioni, come nel caso di superfici ad alta scabrezza o condizioni non-isoterme. All’interno del Pipe `e possibile effettuare misurazioni di velocit`a anche con tecniche ottiche (LDA e PIV), ma lo strumento pi`u utilizzato rimane l’ane- mometro a filo caldo.

Come spiegato nelle sezioni precedenti, questo tipo di strumento richiede un accurato procedimento di calibrazione, sia in velocit`a che in angolazione. Nel caso del Long Pipe risulta per`o impossibile effettuare calibrazioni in situ, in quanto, ad alte velocit`a, non `e possibile identificare una porzione di flusso uniforme e a bassa intensit`a di turbolenza, rendendo necessario ricorrere ad un dispositivo esterno di calibrazione.

Questo elaborato tratter`a nei prossimi capitoli della progettazione di un di- spositivo per la calibrazione di sensori anemometrici a filo caldo, da utilizza- re poi all’interno del Long Pipe. Le specifiche saranno quindi dettate dalle caratteristiche di quest’ultimo, e dalla necessit`a di poter calibrare contempo- raneamente pi`u sonde in parallelo.

Inoltre la struttura sar`a realizzata in maniera modulare, cio`e con la pos- sibilit`a di poter aggiungere/rimuovere/sostituire particolari componenti di abbattimento della turbolenza (reti, lamine perforate, camera con biglie). In questo modo il dispositivo ottenuto potr`a fungere, oltre che da calibratore per anemometri, anche da vera e propria galleria del vento a ciclo aperto, con la particolarit`a di poter studiare gli effetti e l’efficacia di questi componenti sulla turbolenza.

Capitolo 2

Progettazione di un sistema di

calibrazione

2.1

Generalit`a

In questo capitolo verr`a analizzata la fase di progettazione del calibratore per anemometri a filo caldo, sviluppato dal sottoscritto in collaborazione con il collega Alex Alvisi, con l’obiettivo di essere poi utilizzato nel centro di ricerca CICLoPE, a Predappio (vedi sezione 1.5.2).

Il dispositivo consiste di una piccola galleria del vento, capace di generare un flusso uniforme e piano, a bassa intensit`a di turbolenza. La caratteristica di planarit`a del flusso in uscita `e stata voluta per poter consentire la calibra- zione in parallelo di pi`u anemometri: posizionando pi`u sonde una accanto all’altra su un sistema di supporto specifico, detto sistema di traversing, ca- pace di posizionare le sonde nella posizione desiderata rispetto al flusso, sar`a infatti possibile calibrare il set di anemometri contemporaneamente. Durante le sperimentazioni all’interno del laboratorio CICLoPE vengono usati molti anemometri a filo caldo, e un dispositivo capace di calibrarne simultanea- mente `e sicuramente un vantaggio dal punto di vista del tempo risparmiato in preparazione alla sperimentazione.

Ottenere un flusso piano comporta avere una sezione di uscita a base ret-

tangolare, che a sua volta impone di avere una struttura in generale della medisima forma, anzich`e magari a forma tubolare.

Il dispositivo ottenuto `e una galleria del vento a basse velocit`a e ciclo aperto, in cui la sezione di prova (test section) `e la porzione di flusso potenziale in uscita dal convergente. In generale, le componenti possono essere suddivise in:

• un generatore di portata, in questo caso un ventilatore centrifugo, che dovr`a compensare le perdite di carico lungo il calibratore;

• una pre-camera di calma, che raccoglie il flusso in uscita dal ventilatore e dissipa tutta l’energia cinetica;

• un’imbocco nel vero e proprio dispositivo capace di generare il flusso piano in uscita;

• una serie di elementi con lo scopo di ridurre la turbolenza del flusso (lamine perforate, camera con biglie, honeycomb, reti); ed infine

• un convergente, che contemporaneamente accelera il fluido e genera il flusso piano delle dimensioni volute.

Di seguito viene riportato uno schema del prodotto finale.

Figura 2.1: Schema del calibratore per anemometri a filo caldo. In grigio sono rappresentate le tubazioni di collegamento tra le componenti.

2.1 Generalit`a 31

Si noti come il dispositivo completo sia composto da tre parti separate, unite da condutture: un ventilatore centrifugo, la pre-camera di calma ed una ter- za componente. Quest’ultima compenente in realt`a `e una camera di calma (o ristagno), in cui il fluido, raggiunta la sua massima espansione e quindi minima velocit`a, prima di arrivare in camera di prova, attraversa un tratto di assestamento a sezione costante in cui le turbolenze e non-uniformit`a presenti possano essere riassorbite fino al raggiungimento delle condizione ottimali. Proprio per facilitare l’assestamento del flusso, e quindi ridurre la turbolen- za, in questa parte si trovano quelle attrezzatture per il condizionamento del flusso (reti, honeycomb, lamine perforate o camera con biglie), indicate al quarto punto. Quest’ultima parte verr`a chiamata da qui in avanti col nome “calibratore”, anche se tale termine indicherebbe il dispositivo in toto. Il calibratore sar`a caratterizzato da una struttura modulare, ovvero compo- sta da singoli pezzi flangiati che verranno montati l’uno con l’altro tramite semplice bloccaggio con dadi e bulloni. Questo consente di poter modificare, entro un certo limite ovviamente, la disposizione delle singole parti: `e pos- sibile quindi aggiungere o rimuovere delle reti, oppure sostituire e invertire particolari componenti. L’obiettivo `e quello di poter sfruttare il dispositivo finale, oltre che da calibratore per anemometri, anche come strumento di ricerca riguardo l’effetto di particolari componenti sulla turbolenza. Proprio per questo `e stata sviluppata una versione alternativa del calibratore, indi- cata come Versione B, in cui al posto delle lamine perforate (subito a valle dell’imbocco) viene utilizzata una camera con delle biglie libere di muoversi. La fase di progettazione `e partita dal componente finale, il convergente, per poi risalire pezzo per pezzo fino alla pre-camera di calma. Il ventilatore `e stato invece selezionato a catalogo, ovvero scegliendo un prodotto disponibi- le in mercato, dopo aver calcolato una stima delle perdite di carico lungo il calibratore (vedi capitolo 3).

Lo sviluppo delle singole parti `e stato svolto con l’utilizzo del software CAD SolidWorks, mentre per il calcolo delle perdite `e stato utilizzato il software Matlab.

Il progetto, una volta completato, `e stato consegnato all’azienda Comec S.r.l., di Forl`ı, che si occuper`a della realizzazione del dispositivo.